新型高效InAs/GaAs量子点中间能带太阳能电池的研究

为了更高效的利用太阳能以应对当今社会中日益严峻的能源问题，同时提高在太空等极端环境中利用太阳能的能力，本项目以发展具有民用和军用意义的、具有高吸收效率和高抗辐照能力等特点的新一代太阳能电池为总目标，开展新型的InAs/GaAs量子点中间能带太阳能电池的关键技术及相关基础研究。以InAs/GaAs自组织量子点材料的生长机理、生长技术和基本物理特性的研究为基础，结合8 band k-p等模型的理论计算，设计出可以大幅提高输出电流，进而提高能量转换效率的量子点中间能带太阳能电池的能带结构，并通过δ掺杂等手段对其综合性能进行优化。同时研究此类新型量子点中间能带太阳能电池的器件结构和制备技术，并探索出具有针对性的检测技术，为更高效地和更广泛地利用太阳能提供必要的物理基础和关键技术，提升我国的自主创新能力和在国际上的竞争能力，为我国的光伏技术的发展和能源安全的保障等方面作出贡献。

本项目围绕如何实现太阳能高效利用这一重要科学问题，重点开展了新型高效InAs/GaAs量子点中间能带太阳能电池材料生长、器件设计与制备等方面的研究。由于在传统的单结太阳能电池吸收区中引入纳米结构量子点材料，量子点中间能带太阳能电池实现了新的能带结构，扩展了单结太阳能电池吸收光谱范围，因此极大提升了电池的转换效率。在本项目的实施过程中，我们首先建立了一个八带k-p理论和有限元方法相结合的量子点能级结构计算技术并利用它深入地研究了量子点尺寸、应力和压电效应等对量子点能级结构和波函数的影响，加深了对量子点物理本质的理解和认识，对后续的量子点材料以及器件的设计和制备都具有重要的指导意义。在量子点材料制备方面，我们确立了高性能量子点材料生长技术。优化的单层量子点面密度达到3.5×1010cm-2、对应的尺寸非均匀展宽仅为30meV。特别是，通过在量子点生长过程某个特定阶段引入Si掺杂，在保持原有量子点密度和形貌不变的条件下使量子点的室温光致荧光谱峰值强度增强了30倍以上，材料的光学质量得到了极大改善，为进一步减少量子点太阳能电池内部能量损耗、提高电池效率提供了一条重要技术途径。在电池器件设计和制作方面，我们利用漂移-扩散模型研究了量子点层位置对太阳能电池电流电压特性的影响，加深了对量子点层与载流子相互作用机制的理解。通过对器件结构设计和制作工艺的优化，我们制备出InAs/GaAs 量子点中间能带太阳能电池的原型器件，其吸收光谱的截止波长达到1330nm，较单结GaAs太阳能电池参比样品870nm的截止波长有了极大的拓展，原型器件的效率最高达到了17.0%，接近国际同类器件报道的最高值（18.7%）。此外，由于量子点材料本身的固有特性，我们还证明了量子点太阳能电池的抗辐射性能比传统单结电池有大幅提高，将在太空等环境应用中表现出更优秀的综合性能。本项目至今发表期刊论文11篇，国际和国内学术会议论文15篇（含一篇国际会议邀请报告），申请发明专利3项，授权1项。本项目研究结果将对进一步发展具有自主知识产权的新一代高转换效率量子点中间能带太阳能电池具有重要意义。